关键字 |
| 直流链路电压控制，永磁同步发电机(PMSG)风力发电机，最大功率点跟踪，电压源变换器(VSC)。 |
介绍 |
| 世界范围内常规能源资源的快速枯竭，需要实施可再生能源发电，以满足日益增长的需求。自过去十年以来，技术创新和不断变化的经济和监管环境导致人们对将各种可再生能源作为分布式发电的来源连接到电网的兴趣大幅恢复。在过去十年中，并网风力发电的数量有了巨大的增长。风能在电力系统中的渗透将会增加，它们可能会开始影响整个电力系统的行为，并对工程师提出新的挑战，因为这些对电网系统和设备的稳定状态、动态运行、可靠性、电能质量、稳定性和电力公司和客户的安全都有重大影响。为了维持电力系统的运行，必须对这种情况进行调查。 |
| 具有多极PMSG[1]和全量程/完全可控电压源转换器(VSCs)的变速风力涡轮机被认为是一种有前途的，但还不太受欢迎的风力涡轮机概念。这种PMSG配置的优点是1)无齿轮结构;2)消除直流励磁系统;3)系统完全可控性，最大限度地提取风电和并网接口;4)易于实现故障穿越和网格支持。因此，基于vsc的PMSG风力机的效率和可靠性被评估为高于DFIG风力机。由于电网规范的加强，采用全尺寸vsc型绝缘栅极双极晶体管(IGBT)变换器的PMSG风力发电机组越来越受到风电行业的青睐。 |
| Shuhui Li等[1]研究了具有两个并排电压源脉宽调制变换器的PMSG风力涡轮机的传统和新型矢量控制机制。所提出的方法基于直流矢量控制机制，用于控制PMSG风力涡轮机的机器和电网侧变流器。在此基础上，提出了PMSG最大功率提取、无功功率和电网电压支持综合控制的最优控制策略。 |
| Alka Singh等[2]提出了分布式能源的好处，包括长期的能源安全，农村人口的分散供应，以及DG如何满足国家不断增长的能源需求。它还讨论了将可再生能源纳入电网/电力供应的必要性，以及在互联之前需要满足的几个问题和指导方针。本文讨论了电压源逆变器直流链路(BESS)接口器件的进一步建模、仿真和性能，BESS是最有前途的可再生资源(如太阳能、风能等)直流链路接口存储技术之一。 |
| T.R. Ayodele等[3]提出了电力系统规划者和公用事业运营商在电力系统电网完整性方面面临的各种挑战，即电力系统安全，电力系统稳定性和电力T.R. Ayodele等[3]提出了电力系统规划者和公用事业运营商在电力系统电网完整性方面面临的各种挑战，即电力系统安全，电力系统稳定性和电力 |
| S.Vijayalakshmi等[4]提出了一个具有永磁同步发电机的变速风力发电机的建模，并在MATLAB/Simulink中实现，以验证其转矩-速度和风速特性。根据瞬时风速调节发电机转子转速，提出了最大ppt跟踪的概念。 |
| F.Blaabjerg等[5]讨论了电力电子技术在风力涡轮机技术中的应用。文中还介绍了电力电子技术在各种风力发电系统和海上风电场中的应用，表明电力电子技术的应用使风力发电机组的性能有了很大的改善。此外，还介绍了电力电子器件如何通过有功功率和无功功率控制对频率和电压控制起贡献作用。 |
| G.Ravi Kumar等人[6]提出了一种在IEEE 13总线工业配电系统中放置不同类型滤波器的方法，用于估计和最小化谐波。对两种类型的滤波器(单调谐滤波器和双调谐滤波器)进行了建模，并计算了滤波器连接前后的THD。 |
| Sharad W.Mood等[7]提出了风力涡轮机的性能，其电能质量问题是根据国际电工委员会规定的准则IEC 61400-21进行测量确定的。利用MATLAB/SIMULINK仿真了并网风力发电提高电能质量的脉宽调制(PWM)逆变方案，提出了提高电能质量的方案。 |
| Benjamin Krposki等[8]研究了与DG系统相关的系统集成问题，以及在此类应用中使用电力电子接口的好处。此外，还讨论了电力电子接口如何在与各种其他DG源的操作中提供灵活性，以及它们如何通过标准化和模块化潜在地降低总体互连成本。 |
| 本文采用直流矢量控制方法对PMSG风力机机侧变换器和网侧变换器进行控制，并在系统并网前采用滤波器，通过测量THD，在共耦合点对电网电压的电能质量进行评估，其质量在可接受范围内。 |
系统配置及工作原理 |
| 基于直驱PMSG的网格接口WECS的系统配置如图1所示。使用水平轴风力涡轮机来驱动PMSG。采用凸极型PMSG。风中的动能通过风力涡轮机转化为机械扭矩。利用PMSG将机械能转化为电能。为了方便实现MPPT的变速操作，PMSG不能直接与电网接口。因此，在背对背配置中使用两个vsc，共同的DC链路称为MSC和GSC。这些VSC是独立控制的。采用脉宽调制技术对这些VSC进行控制。GSC的每条腿的中点通过接口电感器连接到电网电源的每一相。 The MSC controls PMSG currents in a desired phase, frequency and magnitude to achieve MPPT. The GSC is synchronized with the grid unlike a MSC. |
| 无功功率和与电网的有功功率交换是GSC交流端电压相位和幅值的函数。控制GSC的目标是在产生有功功率变化的情况下保持恒定的直流链路电压，同时保持PMSG的正弦电流。如果Vdc保持在参考值不变，负载侧逆变器的调制指数保持在一个固定值，则可以控制输出交流电压幅值并保持在额定电压。三相脉宽调制(PWM)逆变器直流电压与输出交流电压的关系由 |
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| 其中VLL1为基本相相均方根(Fundamental phase-phase root mean-square, rms)交流侧电压，K为基本相相均方根(Fundamental phase-phase root- square, rms)交流侧电压，Vdc为直流链路电压。 |
风力发电机模型 |
| 风力涡轮机从空气动力学设计的叶片中获取动力，并将其转化为旋转的机械动力。用下面的方程[4]对风力机进行建模。风的动能(气团m，风速v)由下式给出 |
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MSC和GSC的直流矢量控制 |
| 直流矢量控制技术[1]是最近开发的一种矢量控制技术，仅用于控制变速PMSG风力发电机中的同步发电机和基于vsc的HVDC系统。与传统的矢量控制策略相比，直流矢量控制在这些应用中表现出许多优点，如提高系统的稳定性、可靠性和效率。本文介绍了直流dq矢量控制构型下PMSG风力发电机系统的最优控制机制。然后，基于所提出的控制结构，开发了PMSG系统的总体控制功能，包括最大功率提取控制、直流链路电压控制、无功功率控制和电网电压支持控制。 |
| A.GENERATOR模型(MSC) |
| PMSG的动态建模可以在d-q参考系中描述如下[1] |
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| 式中，Vsd、Vsq为瞬间定子电压的d、q分量，Rs为定子电阻，Ld、Lq为发电机在d、q轴上的电感，isd、isq为定子d、q轴电流，Ψf为永久磁通。为了完成PMSG的数学模型，电磁转矩的表达式可以描述为 |
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| 当id = 0时，电磁转矩为: |
| Te = 3/2 pn Ψf isq |
| MSC控制PMSG以实现以下目标:最大限度地从风力中提取能量和/或符合风力发电厂控制中心的控制需求。 |
| MSC的直流矢量控制策略，通过嵌套环路控制结构实现，如图2所示，包括以下三部分: |
| 1)速度控制向电流控制转换; |
| 2)开发直流控制机制;而且 |
| 3)电流控制信号到电压控制信号的转换。 |
B.GSC模型 |
| 在GSC模型中，直流链路电容器在一边，三相电压源表示交流系统的公共耦合点(PCC)的电压在转换器的另一边。在dq参考系中，栅极滤波器的电压平衡为 |
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| 其中ωs为电网电压的角频率，Lf和Rf分别为电网滤波器的电感和电阻，Vd、Vq、Vd1和Vq1分别表示PCC电压和GSC输出电压的d轴和q轴分量，id和iq分别表示GSC与交流系统之间电流的d轴和q轴分量。 |
| 在PCC电压导向框架中，从GSC传输到电网的瞬时有功功率和无功功率分别与电网d轴和q轴电流成正比，如[21]和[22]，稳态有功功率和无功功率分别与GSC d轴和q轴输出电压Vd1和Vq1成正比，如[23]所示 |
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| GSC的直流矢量控制策略通过嵌套环控制器实现，如图3所示，实现方式如下: |
| 1)将直流链路电压和无功功率控制转换为d、q轴电流控制; |
| 2)制定直流控制方案;而且 |
| 3)将电流控制信号转换为电压控制信号。 |
测试系统 |
| 这个测试用例由13辆公共汽车组成，是一个中型工业工厂的代表。该系统是从IEEE彩色书系列中许多计算和示例中使用的通用系统中提取出来的。该电站由69千伏的公用电源供电，当地电站配电系统运行于13.8千伏。系统如图4所示。由于本例的平衡性质，建模只考虑正序列数据。忽略了短架空线路和所有电缆的电容。变压器数据，线路数据使用[9]为系统建模。 |
模拟研究及结果 |
| 风力机采用图9(2)~(12)式建模，风速为阶跃信号，变化范围为7 ~ 12 m/s，阶跃变化为5秒，表示可变风速，机械转矩输出作为永磁同步发电机的输入。用于建模风力涡轮机和PMSG评级的数据在附录中给出。MSC和GSC采用式(15)-(23)建模，如图6所示，从而实现PMSG风力机在最大功率点运行，保持直流链路电压恒定，同时控制从电网吸收的无功功率。 |
| 因此从图14和图15可以看出，电网电流和PMSG定子输出电流已经达到稳态，接近1p。u在5秒内跟随阶跃信号变化(风速变化)，表明MSC和GSC的有效性能。 |
| 因此，实功率跟踪风力机输出的最大功率，从电网获取的无功功率几乎为零，这可以从图17和图18中实现。 |
结论 |
| 由此可见，对于具有直流矢量控制机制的并网直驱PMSG，通过MSC的速度控制实现最大功率点跟踪，从风力中提取最大功率，通过GSC的d轴和q轴控制实现保持直流链路电压恒定和控制电网无功功率吸收。PMSG与风力机并网作为分布式电源时的电网电压谐波谱如图22所示，从图22可以看出，总谐波失真(THD)为5.78%，符合IEEE-519-1997标准的可接受范围。 |
附录 |
PMSG数据 |
| 额定功率= 1.5MVA，额定电压= 575 V，定子电阻Rs= 0.006 ohm，定子电感Ld,Lq=0.3e-3 H，极数= 48，磁链= 1.48 V.s，额定转速= 125转/分 |
风力机数据 |
| 风速=7-12米/秒，叶片半径=33米 |
| 栅侧耦合阻抗R,L=0.03(欧姆)，0.3H |
| 直流链路电压=1150 V |
数字一览 |
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| 图21 |
图22 |
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参考文献 |
- Shuhui李，Timothy A. Haskew，Richard P. Swatloskis和William Gathings，“直驱PMSG风力涡轮机的最优直流矢量控制”，IEEE电力电子学报，Vol.27, No.5, 2012年5月。
- Alka Singh, Bhim Singh，“与分布式能源集成到公用电网相关的电能质量问题”，IEEE印度年度会议(INDICON) 2010。
- T.R. Ayodele, A.A. Jimoh, J.L . Munda, J.T . Agee，“风电并网对电网完整性的挑战”，《国际可再生能源研究》，2012年第2卷第4期。
- S.Vijayalakshmi Sasikumar,萨拉瓦南,随机变数杨振华，“基于PMSG的风力发电机建模与控制”，《工程技术学报》，2011年3月，第3卷，第3期，ISSN:0975-5462。
- F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Iov，“风力发电机系统中的电力电子”，IEEE会议(2006)
- G.RaviKumar M.Lokya, T。Vijay Muni，“IEEE 13总线配电系统谐波的估计和最小化”，国际工程研究与技术杂志(IJERT)，卷。1 2012年9月第7期，ISSN: 2278-0181。
- MirzaMohd。谢建平，“风力发电机组永磁同步发电机性能分析”，《国际先进技术与工程研究》第2卷，第2期，2012年5月，ISSN NO: 2250-3536。
- 本杰明Kroposki，克里斯托弗粉红色，RichardDeBlasio，霍莉•托马斯，MarceloSim˜海洋能，潘卡吉·k·森，”电力电子接口对分布式能源系统的好处“IEEE能源转换汇刊，2010年9月第25卷第3期。
- “谐波建模和仿真的测试系统”，IEEE电力传输汇刊，第14卷，第2期，1999年4月。
- PriyankaSingh,克里Tripathi,Ankit Dixit,Nikhil Mishra，“风力发电转换系统与电网集成影响的电力转换器的最新趋势”IJREAS第2卷，第2期(2012年2月)ISSN: 2249-3905。
- S.N.Bhadra D。Kastha, S.Banarjee，“风力发电系统”。
- 穆罕默德·拉希德，《电力电子手册》，2007年。
- R.Krishnan，“电动机驱动，建模，分析和控制”，2009年。
- ArindamGhosh，“使用自定义电源器件提高电能质量”。
- P.Kundur，“电力系统稳定性与控制”，1994。
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